2.2 烟气产生量-2013.doc

22 地铁火灾烟气产生量根据正在修订中的NFPA130-2014版，行李着火的热释放速率范围在300kW-1000kW。在研究中通常使用1MW的火源功率，而在地铁系统设计时会采用2MW的设计火灾。因为聚苯乙烯的产烟量与普通行李起火的产烟量接近，在火灾模拟软件中，聚苯乙烯常被设置为燃烧材料，从而估计行李起火后相应的CO释放速率和烟尘释放速率。在有些地铁火灾研究中，也使用聚乙烯、聚丙烯、尼龙、涤纶和聚氨基甲酸乙酯等已有产烟量测试数据的材料按一定比例混合来代表行李，这样得到的混合材料总的产烟量设定为8%。Won Hee Park. CFD simulation and assessment of life safety in a subway train fireJ.Tunnelling and Underground Space Technology,2009,24(4):447-453.Also, the smoke yield is assumed to 8% of the fuel, which is converted from the fraction of fuel mass. Thefuel used in fire simulation is comprised of several materials including polyethylene, polypropylene, nylon, polyester, and polyurethane. These materialss soot yield can be seen reference (KathrynKathryn, M. Butler, George, W., 2004. Generation and transport of smoke components. Fire Technology 40, 149176.NFPA130 原文：Tests on luggage have been formed (RRR). They indicate FHRRs on the order of 300 kW (1.02 MBtu/hr) to 1000 kW (3.41 MBtu/hr). It has become common to use a FHRR of 1 MW (3.41 MBtu/hr); however, one transit system has designed for 2 MW (6.82 MBtu/hr). Because of its soot yield, polystyrene has often been used to estimate the accompanying FCORR and FSORRs.论文原文：Also, the smoke yield is assumed to 8% of the fuel, which is converted from the fraction of fuel mass. The fuel used in fire simulation is comprised of several materials including polyethylene, polypropylene, nylon, polyester, and polyurethane.上述论文中引用的烟气发生量数据来源：Kathryn, M. Butler, George, W., 2004. Generation and transport of smoke components. Fire Technology 40, 149176.2.2.1烟气的生成在更多时候，地铁通风排烟系统的设计人员想知道的是，设计多大的机械排烟量，才能把烟气控制在一定的高度，这与火灾的烟气产生量有关。那么，一定强度的火灾会产生多少的烟气。如何计算地铁火灾时产生的烟气量?一般情况下，地铁火灾时的烟气产生量可由烟气量预测模型(羽流质量流量预测模型)来计算。火灾烟气是有浮力的。着火后,产生的烟气从火源上方的羽流中升起并且撞击到顶棚,形成顶棚射流,当顶棚射流水平蔓延至空间的围墙时形成烟层。随后,烟层开始下降,烟层界面的下降速率依赖于从羽流中升起烟气的速率,也就是烟气的质量生成率。烟气中卷吸进羽流的空气量远远大于燃烧产物的量,所以烟气主要是由卷吸进羽流的空气组成的。燃烧产物和空气相比数量很少,在计算烟气的质量生成率时可以忽略。烟气的质量生成率可以估算为整个羽流在烟层以下的空气卷吸速率。空气的质量卷吸速率取决于烟羽流的形状。羽流的形状有轴对称羽流、墙羽流、角羽流、阳台溢羽流和窗羽流。火灾中已有较多的烟气羽流卷吸量预测模型，但是由于各羽流模型的理论假设和实验采用的测量方法、火源参数、热释放速率等因素不同，这些羽流模型有着不同的适用范围(史聪灵，2005)。目前采用较多的羽流模型有Morton等(1956)提出的理想羽流模型、Zukoski(1983)羽流模型、Heskestad(1984)羽流模型、Thomas(1963)羽流模型、McCaffrey(1983)羽流模型、NFPA92B(1991)羽流模型等。按照对羽流起始位置的处理形式来分，这些模型又可分为点源模型和虚拟点源模型(即虚源模型)，前者适于密度差较小的弱羽流(weak plume)，后者适于密度差较大的强羽流(strong plume)。根据正在修订中的NFPA130-2014版，行李着火的热释放速率范围在300kW-1000kW。在研究中通常使用1MW的火源功率，而在地铁系统设计时会采用2MW的设计火灾。因为聚苯乙烯的产烟量与普通行李起火的产烟量接近，在火灾模拟软件中，聚苯乙烯常被设置为燃烧材料，从而估计行李起火后相应的CO释放速率和烟尘释放速率。在有些地铁火灾研究中，也使用聚乙烯、聚丙烯、尼龙、涤纶和聚氨基甲酸乙酯等已有产烟量测试数据的材料按一定比例混合来代表行李，这样得到的混合材料总的产烟量设定为8%。221大面积火源羽流模型在科研工作者们致力于火羽流的流场结构和卷吸理论研究的同时，工程师们往往希望获取更为简单的羽流模型用于消防工程计算。Thomas等(1963)最先提出的适用于大面积火源的羽流卷吸公式为 (22)式中，为羽流质量流量，kgs；为高度，m；为火源周长，m。模型认为火焰高度远小于火源直径的情况下，羽流的质量流量只与火源周长Pf和高度Z有关，而且该公式只在火焰高度之下的距离范围内验证有效。后来发现，在火源高度以上的范围，质量流量同样具有这种变化特性，因此有 (23)式中，为卷吸系数。针对不同的建筑尺寸，确定其系数。，适用于高大空间建筑，如大礼堂，体育馆，中庭；顶棚高度远高于火源高度。 ，适用于扁平大空间；顶棚高度接近火源高度。 ，适用于普通房间，如办公间、卧室、大空间内舱室；开口对羽流卷吸有影响。 因其形式简单，该模型在不少的工程计算中得到使用。地铁火灾时，一般可以采用根据地铁空间特点以及火灾情况，弱羽流模型的基本条件在地铁火灾总不满足采用Boussinesq假设，认为整个羽流体之内密度变化很小，仅当涉及浮力项时才考虑密度的变化，因此理想羽流有时又被称作弱羽流。 边缘卷吸速率与羽流中心速度成正比。因此，弱羽流模型不适合用于描述地铁烟气羽流规律描述。 223强羽流模型强羽流模型的特点是去除Boussinesq假设，引入虚点源的概念，并考虑羽流较大的密度差。代表者有Heskestad羽流模型和McCaffrey羽流模型。1)Heskestad羽流模型Heskestad(1984)对理想羽流中的三条假设进行了如下修正： 入虚源概念，对“点源”条件进行了延伸，可适用于面型火源。考虑了辐射热损失，以代替，一般情况下,。其中表示火源的总热释放速率的对流部分，一般情况下，可取（适用于液体池火和其他表面火，固体深位火灾等情形除外）。速度和温度在羽流横截面上呈高斯分布，取代理想羽流假设中的高帽状分布。去除Boussinesq假设，考虑较大的密度差,因此Heskestad羽流公式也适用于强羽流。其实验采用较大的火源功率和较为实际的燃料包。Heskestad羽流模型在烟气羽流区和火羽流区分别给出了质量流量表达式。 烟气羽流区： (2.11)火羽流区： (2.12)其中，虚点源位置可以由以下公式计算： (2.13) 火焰高度的计算公式为 (2.14) Heskestad羽流模型在国际上获得广泛的认可，NFPA92B（NFPA，1991）所采用的烟气量预测模型便是Heskestad模型。目前，在我国的消防工程设计中，大都采用该模 型来计箅火灾烟气生成量。在地铁火灾设计中，该模型是一个较好的选择。2）McCaffrey大羽流模型McCaffrey等（1983）直接测量羽流密度和速度的方法得到不同髙度的羽流质量流量，通过纲量分析提出了三段羽流模型。其实验采用的燃料为甲烷，火源功率分别为14.4kW、21.7kW、33.0kW、44.9kW、57.5kW。McCaffrey模型将羽流分为三个区，分别为连续火焰区、间歇火焰区和烟气羽流区,各区的预测公式如式4.204.22所示。连续火焰区： (2.15)间歇火焰区： (2.16)烟气羽流区： (2.17) 应该注意到，该模型认为羽流的属性与燃料的性质无关，仅仅依赖于火源热释放速率。实际上由于不同的燃料燃烧产生的火焰具有不同的辐射特性，辐射损失份额也有很大的不同，导致火焰的温度随着燃料的类型而变化，而该模型没有考虑到燃料特性对火 羽流区域的影响。McCaffrey模型被CFAST程序(Peacock et al.,1993)采用。2.2.5 在地铁车站办公用房和电气房间，出现火灾时，如果不能有效将烟气控制在房间内，烟气将扩散到地铁车站大空间内，形成竖直开口溢流烟气在竖直开口处形成的流动成为溢流，例如，地铁火灾时楼扶梯开口四周挡烟垂 壁处的烟气流动。溢流的烟气流动过程如图2.9所示，首先起火空间内火源燃烧形成羽 流，羽流卷吸下方冷空气向上层热烟气层不断的输运质量和能量。当热烟气下降到开口高度时溢出产生溢流。竖直开口溢流能量流量和质量流量，可以根据贝努利定理积分得到 (220) (221)图29竖直开口溢流示意图式中，Hs为溢流厚度，m；Hv为开口高度，m；W为开口宽度，为开口流速，ms；T、为起火空间内烟气层温度和密度，、为环境空气温度和密度，并假设烟气满足理想气体状态方程。考虑到开口截面溢流的温度和流速分布的耦合关系，引入有效流动因子和，分别取O9、135(Morgan，1986)。 烟气流出起火室后，在外部空间的烟气羽流质量流量。可以由溢流模型来进行预测。目前对溢流的描述主要有三种，一种是把整段溢流看成是由线形虚源Zo，产生的二维线形羽流。具有代表性的溢流质量流量预测模型有Morgan和Law溢流模型。 1) Morgan溢流模型 Morgan等(1986)是在线形羽流的基础上，根据不同工况的溢流模型实验结果，提出了溢流质量流量的预测公式。 (222)式中，为溢流质量流量，kgs；为溢流能量流量，kW；为线形虚源的位置，m；为卷吸系数，2)Law溢流模型 Law(1995)提出的溢流质量流量的预测模型为 (223)模型给出线形虚源的位置为一0.25，为开口或者阳台的高度。 对溢流整体进行二维线形羽流近似的缺点是只考虑了溢流截面两边的卷吸，未考虑截面端部卷吸效应及溢流由二维线性羽流到轴对称羽流的转变。溢流在上升过程中，截面端部的卷吸会逐渐变大，最终达到轴对称羽流卷吸的特征。该种处理会低估远端羽流卷吸流量。对溢流的另外一种描述方式是把溢流整体看作由虚点源位置产生的二维轴对称羽流。如在CFAST中直接采用McCaffrey轴对称羽流模型对溢流卷吸量进行预测。然而，该种描述方法也没有考虑溢流的分段特征，即近域线形羽流和远域轴对称羽流，对于宽口溢流质量流量的估计偏大。 考虑到在高大空间内的溢流自由发展的分段性，后来的研究者提出了溢流特征的第三种描述方法：单方程双段溢流模型，采用单方程耦合了近域线形羽流和远域轴对称羽流的卷吸特性，对溢流的流量进行了双段描述，但只给出了一个总的线形虚源的位置。典型的单方程双段溢流模型有Thomas和Heskestad溢流模型。 1) Thomas溢流模型 Thomas(1987)溢流模型考虑了溢流从线形羽流到轴对称羽流的转变过程，综合提出的溢流质量流量预测公式如下： (224)模型中Z。为虚源到实源的距离(开口或者阳台高度为实源的位置，Z=0)，在实源之上为正值，以下为负值。虚源位置由以下公式给出。 (225)式中，负号表示虚源在开口之下，式(225)只给出了一个总虚源位置的范围。 从式(224)可以看出当时，即在近域溢流区，卷吸量将随增长，具备二维线形羽流的特性。当时，将随着西增长，转化为轴对称羽流的卷吸过程。2) Heskestad溢流模型 Heskestad溢流模型(NFPA，1991)同样认为溢流的形态是从线形羽流到轴对称羽流进行转变的，其流量预测公式为 (226) 模型给出了虚源的位置一O3H。，Z为从开口或阳台高度算起的距离。该模型预测的溢流卷吸量同样在近域和远域分别具备二维线形羽流和轴对称羽流卷吸特征，但其常量系数比Thomas溢流模型大，预测的溢流流量要比前者大。中间过渡区域的高度也比Thomas溢流模型高。单方程双段溢流模型可以描述溢流由线形羽流自由发展到轴对称羽流的转变过程，但未考虑线形虚源的位置随着门口溢流厚度的变化，且没有确切给出双段过